Принципы регистрации излучения

Излучение, взаимодействуя с веществом, ионизирует атомы (молекулы). Заряженные частицы ионизируют атомы (молекулы) в столкновениях с электронами, незаряженные частицы (γ -квант, нейтроны и др.) образуют ионы за счет вторичных эффектов. В столкновениях незаряженных частиц с электронами и ядрами возникают заряженные частицы, которые ионизируют атомы (молекулы). Так, при взаимодействии γ -квантов с веществом ионизацию производят электроны и позитроны, появляющиеся в процессах фотоэффекта, комптон-эффекта и эффекта образования пар.

Вдоль траектории заряженной частицы в веществе происходит первичная ионизация атомов (молекул), в результате которой образуются ионные пары. В каждую пару входят электрон и положительный ион атома (молекулы). Электроны относят к легким отрицательным ионам, положительные ионы атома (молекулы) – к тяжелым положительным ионам.

Наряду с ионизацией излучение возбуждает атомы (молекулы). В ионизованных и возбужденных атомах происходят переходы электронов между оболочками атома, сопровождающиеся испусканием фотонов. В свою очередь взаимодействия фотонов с веществом приводят к выделению тепла. Итак, взаимодействие излучения с веществом сопровождается несколькими эффектами:

· образованием ионов;

· испусканием фотонов;

· выделением тепла.

Эти эффекты и используются при регистрации излучения, под которым понимается обнаружение и определение типа частиц, измерение потоков, интенсивности и спектра излучения.

Методы регистрации излучения подразделяются на ионизационный, сцинтилляционный, калориметрический и др. В каждом методе используется один из эффектов взаимодействия излучения с веществом. Например, в ионизационном методе измеряют заряд ионов, в калориметрическом – выделенное тепло, сцинтилляционный метод основан на регистрации вспышек света.

Регистрирующий прибор состоит из чувствительного элемента –детектора (датчика) и измерительной аппаратуры.

В детектор входит вещество, с которым взаимодействуют частицы, и преобразователь эффектов взаимодействия в величины (электрические импульс, ток и. т. д.), регистрируемые измерительной аппаратурой. Обе части детектора могут быть объединены в одно целое или разделены между собой.

Переходим к изложению ионизационного метода регистрации излучения, который широко распространен в экспериментальной физике, дозиметрии и других отраслях науки и техники.

Большинство измерительных приборов (детекторов) наполняют газами, в объеме которых и происходит образование ионов. Такие детекторы называют газонаполненными (газовыми). Конструкция газонаполненных детекторов очень проста. Они представляют собой наполненные газами баллоны с двумя вмонтированными электродами. Для собирания ионов из газа на электроды газонаполненных детекторов подается электрическое напряжение.

Использование вместо газов жидкостей и металлов затрудняет регистрацию излучения. Ионы, образованные излучением в металле, зарегистрировать невозможно, так как в металле много свободных электронов. Поэтому прохождение тока через металл обусловливается в основном не ионными парами, а свободными электронами. Для собирания ионов из жидкостей необходимо подводить к электродам огромные напряжения.

Недостатки металлов и жидкостей устранены в некоторых полупроводниках. Полупроводники с определенным составом, как и газ, не проводят электричества, пока на них не действует излучение. На этом свойстве и основано применение полупроводников в качестве детекторов. Атомы (молекулы) газов могут захватить свободные электроны во время столкновения, в результате чего образуются отрицательные ионы. Возникновение отрицательных ионов атомов (молекул) характеризуется коэффициентом прилипания ξ. Он показывает вероятность образования тяжелого отрицательного иона при столкновении электрона с нейтральным атомом (молекулой).

Коэффициент ξ зависит от строения внешней электронной оболочки атома. Наименьшие значения коэффициента ξ имеют инертные газы (гелий, аргон, криптон и др.). У атомов этих газов заполненная внешняя электронная оболочка. Иначе ведут себя атомы (молекулы) газов с незаполненной внешней электронной оболочкой (хлор, бром, пары воды, кислород и др.). Они стремятся захватить свободные электроны и заполнить свою внешнюю электронную оболочку.

В зависимости от значения ξ газы подразделяют на электроположительные и электроотрицательные. У электроположительных газов (аргон, гелий и др.) коэффициент ξ ~0. Образование тяжелых отрицательных ионов в инертных газах–довольно редкое явление. Поэтому отрицательными ионами в таких газах являются в основном электроны.

У электроотрицательных газов (хлор, бром, пары воды и др.) коэффициент ξ заметно отличается от нуля. В этих газах при наличии свободных электронов с большой вероятностью возникают отрицательные ионы. Следовательно, отрицательные ионы в электроотрицательных газах состоят из электронов и тяжелых отрицательных ионов.

Рассмотрим принципы регистрации излучения на основе работы плоской ионизационной камеры, включенной в электрическую цепь (рисунок 9.1).

Рисунок 9.1 – Схема включения плоской ионизационной камеры
1– поток частиц; 2 – ионизационная камера; 3 – измеритель тока;
4– источник высокого напряжения.

Плоская ионизационная камера состоит из двух плоских электродов, разделенных газом-наполнителем. К электродам подведено напряжение, а последовательно с камерой в цепь включен измеритель тока.

Газ вне поля излучения является электроизолятором. В нем нет носителей зарядов, так как атомы и молекулы электрически нейтральны. Под действием излучения в газе образуются ионные пары. Электрическое поле разделяет положительные и отрицательные ионы. Первые ионы движутся к катоду, вторые–к аноду. В электрической цепи начинает течь электрический ток, который регистрируется измерителем тока. По значению этого тока и судят об интенсивности излучения в газе.

Протекание ионизационного тока через газ продолжается до тех пор, пока на газ действует излучение. Как только детектор удаляют из поля излучений, газ становится электроизолятором и электрическая цепь размыкается.

Ионизационный ток в газе зависит от типа, энергии и интенсивности излучения, от свойств газов-наполнителей, а также от напряжения на электродах. Поэтому для понимания законов газовой проводимости выясним особенности движения ионов в газах, находящихся в электрическом поле.